房建工程混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂成因與變形縫修復(fù)技術(shù)研究

摘 要：本研究以某沿海地區(qū)的高層建筑工程為案例，分析了房建工程混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的成因，并提出了針對(duì)性的修復(fù)技術(shù)方案。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的主要原因包括材料配比不當(dāng)、施工工藝缺陷及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了包括高彈性聚氨酯密封膠與改性環(huán)氧樹(shù)脂灌漿相結(jié)合的變形縫修復(fù)方案，T700級(jí)碳纖維布加固剪力墻與樓板交接處的裂縫修復(fù)方案，以及低粘度環(huán)氧樹(shù)脂封閉表面裂縫修復(fù)方案。通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、抗?jié)B測(cè)試及耐久性試驗(yàn)，驗(yàn)證了修復(fù)技術(shù)的有效性，修復(fù)后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)和裂縫擴(kuò)展均得到顯著改善。

關(guān)鍵詞：房建工程；混凝土開(kāi)裂；變形縫修復(fù)

1 前言

房屋建筑經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂概率逐漸增加，從而影響人民生命安全。房屋在多數(shù)情況下都直接暴露于外界環(huán)境中，同時(shí)也會(huì)受部分特殊環(huán)境因素影響。變形縫設(shè)計(jì)的不合理、施工工藝的不足以及材料質(zhì)量控制的缺失，往往是引發(fā)房屋混凝土開(kāi)裂的主要原因[1]。鑒于此，本文以某沿海高層建筑為案例，深入分析了混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的成因，并結(jié)合實(shí)際情況，提出了針對(duì)性的修復(fù)技術(shù)。通過(guò)對(duì)修復(fù)效果的全面驗(yàn)證與評(píng)估，本文旨在為房建工程中類(lèi)似問(wèn)題的解決提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

2工程概況

以某沿海地區(qū)某綜合性高層建筑為例，該地區(qū)氣候條件以高溫高濕為主，季節(jié)性臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，地質(zhì)條件為軟土地基。項(xiàng)目總建筑面積約為20，000m2，施工周期為18個(gè)月，包含住宅及商業(yè)用途，地上16層，地下2層，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)使用年限為50年，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40。

本工程在施工過(guò)程中及竣工后一年內(nèi)，發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯開(kāi)裂現(xiàn)象，主要集中于地下室頂板、剪力墻與樓板交界處以及變形縫處。地下室頂板開(kāi)裂沿著混凝土澆筑方向延伸，裂縫寬度最大達(dá)到0.3mm，屬于典型的早期塑性收縮裂縫。剪力墻與樓板交界處裂縫呈45°斜裂，裂縫寬度在0.2mm—0.5mm之間，表明存在明顯的剪切應(yīng)力集中。變形縫處裂縫主要沿著縫隙延伸，裂縫寬度最大為0.6mm，可能是由于變形縫間距設(shè)置不合理以及溫差變形引起的應(yīng)力超限。初步評(píng)估表明，這些裂縫可能對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性和使用功能造成不利影響，尤其是在剪力墻與樓板交界處，裂縫可能降低結(jié)構(gòu)的整體抗剪能力。地下室頂板的裂縫可能導(dǎo)致滲水風(fēng)險(xiǎn)增加，進(jìn)而影響地下室的防水性能。變形縫處裂縫則可能因應(yīng)力集中而進(jìn)一步擴(kuò)展，甚至導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)失效。

3混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂問(wèn)題概述及成因分析

3.1材料因素

本工程中混凝土開(kāi)裂的主要材料因素包括混凝土配合比設(shè)計(jì)不合理、水灰比控制不當(dāng)、骨料質(zhì)量問(wèn)題及外加劑使用不當(dāng)?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)未充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度較高及濕度變化大的特點(diǎn)，導(dǎo)致水灰比偏高，增加了混凝土的收縮性，最終導(dǎo)致早期塑性收縮裂縫的形成[2]。骨料方面，砂石料的粒徑分布不均勻，尤其是細(xì)骨料含泥量超過(guò)規(guī)范要求，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微細(xì)孔隙，降低了混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度，成為開(kāi)裂的潛在誘因。此外，水泥選用了早強(qiáng)型水泥，其高水化熱特性在大體積混凝土中未能有效控制，內(nèi)部溫度梯度過(guò)大，誘發(fā)了內(nèi)外溫差收縮裂縫。

3.2施工因素

該項(xiàng)目混凝土澆筑過(guò)程中，未能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度條件及時(shí)調(diào)整澆筑速度及澆筑層厚度，導(dǎo)致局部區(qū)域混凝土下料過(guò)快、厚度超標(biāo)，進(jìn)而產(chǎn)生澆筑層間結(jié)合不良，形成冷縫。這些冷縫成為混凝土結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，在應(yīng)力作用下容易引發(fā)貫穿性裂縫。其次，振搗工藝存在振搗棒插入深度不足、振搗時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部未能充分排氣或產(chǎn)生過(guò)度離析現(xiàn)象，直接影響混凝土的密實(shí)度及均勻性，增加了開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)[3]。此外，施工環(huán)境溫度較高，濕度較低，施工團(tuán)隊(duì)未能按規(guī)范要求采取有效的降溫及濕養(yǎng)護(hù)措施，導(dǎo)致混凝土表面失水過(guò)快，形成塑性收縮裂縫。

3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素

該項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，變形縫的設(shè)置未充分考慮建筑物較長(zhǎng)的平面布局及其所處的高溫高濕氣候環(huán)境，導(dǎo)致變形縫間距過(guò)大，無(wú)法有效緩解溫度應(yīng)力及地基不均勻沉降引起的變形應(yīng)力集中，結(jié)果在變形縫附近形成明顯的裂縫。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)承載力的安全冗余考慮不足，未能充分考慮荷載變化和長(zhǎng)期使用過(guò)程中材料性能的衰減，導(dǎo)致局部區(qū)域在承受較大荷載時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，尤其在樓板與剪力墻交接處，形成了斜向裂縫[4]。

4變形縫修復(fù)技術(shù)研究

4.1變形縫裂縫修復(fù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)變形縫裂縫的修復(fù)，主要采取了高彈性聚氨酯密封膠與改性環(huán)氧樹(shù)脂灌漿技術(shù)相結(jié)合的方案。裂縫修復(fù)首先采用了高彈性聚氨酯密封膠進(jìn)行填充，該材料具有優(yōu)異的位移適應(yīng)能力和耐候性，能夠有效吸收由于溫度變化或地基不均勻沉降導(dǎo)致的應(yīng)力集中，從而防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。在具體施工過(guò)程中，使用了Graco XP50雙組分噴涂系統(tǒng)，確保密封膠在使用過(guò)程中能得到充分且均勻的混合，這一系統(tǒng)通過(guò)精確控制噴涂速率，避免因材料混合不均勻而導(dǎo)致的密封失效。為了進(jìn)一步增強(qiáng)變形縫的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，修復(fù)方案還引入了改性環(huán)氧樹(shù)脂灌漿技術(shù)。選用的Epotec 系列環(huán)氧樹(shù)脂具有高粘結(jié)強(qiáng)度和較好的韌性，能夠深入裂縫內(nèi)部并與混凝土形成牢固的結(jié)合，從而提高裂縫區(qū)域的整體強(qiáng)度。灌漿過(guò)程采用Graco GH 833高壓灌漿泵，通過(guò)精確控制灌漿的壓力和速度，確保灌漿材料均勻地注入縫隙內(nèi)部，避免產(chǎn)生空隙或不均勻分布。此外，為了確保灌漿層與原混凝土結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)質(zhì)量，施工團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格控制了灌漿材料的粘結(jié)時(shí)間和固化過(guò)程，確保修復(fù)后的裂縫具有較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度。該修復(fù)方案設(shè)計(jì)合理，施工技術(shù)先進(jìn)，能夠有效提升變形縫的耐久性和抗變形能力，為后續(xù)類(lèi)似工程的裂縫修復(fù)提供了技術(shù)支持。

4.2剪力墻與樓板交接處剪切裂縫修復(fù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)剪力墻與樓板交界處的剪切裂縫問(wèn)題，修復(fù)方案重點(diǎn)考慮提高該區(qū)域的抗剪承載能力，采用了T700級(jí)高強(qiáng)度碳纖維布加固技術(shù)。碳纖維布具有極高的抗拉強(qiáng)度，且其質(zhì)量輕、施工便捷，能夠有效提高局部結(jié)構(gòu)的抗剪性能。修復(fù)過(guò)程中，首先通過(guò)應(yīng)力分析明確裂縫的應(yīng)力集中方向，并根據(jù)分析結(jié)果沿主應(yīng)力方向布設(shè)碳纖維布，以確保應(yīng)力能夠有效傳遞。碳纖維布鋪設(shè)前，需對(duì)混凝土表面進(jìn)行打磨處理，以提高表面粗糙度和粘結(jié)劑的附著力，打磨設(shè)備選用Bosch GBR 15 CAG便攜式混凝土打磨機(jī)，確保表面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨后使用SikaDur -330高性能環(huán)氧樹(shù)脂作為碳纖維布的粘結(jié)劑。該環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)異的粘結(jié)性能，能夠確保碳纖維布與混凝土基材的牢固結(jié)合。施工時(shí)通過(guò)MasterBrace FIB 400/50設(shè)備對(duì)碳纖維布進(jìn)行精確張力控制，確保其緊密貼合混凝土表面并沿裂縫分布的方向進(jìn)行逐層加固。該施工方法采用多層疊加工藝，每層碳纖維布之間均勻涂抹環(huán)氧樹(shù)脂，確保各層之間形成連續(xù)的粘結(jié)界面，從而進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗剪能力。修復(fù)完成后，該區(qū)域的抗剪性能顯著提升，尤其是在剪力集中處的裂縫得到了有效抑制。通過(guò)碳纖維布的高強(qiáng)度抗拉性能與多層粘結(jié)工藝，該方案能夠有效增強(qiáng)剪力墻與樓板交界處的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并防止裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。

4.3表面裂縫修復(fù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)混凝土表面因塑性收縮而產(chǎn)生的細(xì)小裂縫，本文提出了低粘度環(huán)氧樹(shù)脂封閉修復(fù)技術(shù)。該修復(fù)技術(shù)采用MasterInject 1360低黏度環(huán)氧樹(shù)脂，因其具有極強(qiáng)的滲透性和快速固化能力，可以確保修復(fù)材料深入到混凝土表面的微小裂縫內(nèi)部，并實(shí)現(xiàn)有效封閉。在施工過(guò)程中，通過(guò)使用Wagner ProSpray 3.25高壓噴涂設(shè)備，能夠確保環(huán)氧樹(shù)脂材料在裂縫區(qū)域得到均勻涂覆，避免局部材料分布不均勻的問(wèn)題。此外，為了提升施工的精度與效率，采用KUKA KR AGILUS系列自動(dòng)化噴涂機(jī)器人進(jìn)行施工作業(yè)。該機(jī)器人能夠精確控制噴涂角度和流速，避免人為操作誤差，確保每個(gè)裂縫區(qū)域都能得到均勻而精確的修復(fù)。

在封閉裂縫的過(guò)程中，環(huán)氧樹(shù)脂固化后在混凝土表面形成高強(qiáng)度、防水防滲的保護(hù)層，有效阻止外界水分、氯離子等有害物質(zhì)的侵入，從而大大提高了混凝土表面的耐久性和抗?jié)B性。由于該材料具有良好的抗凍融性能，修復(fù)后的混凝土能夠有效抵御頻繁的溫度變化，防止裂縫在未來(lái)的使用過(guò)程中進(jìn)一步擴(kuò)展。

4.4修復(fù)效果評(píng)價(jià)與驗(yàn)證

4.4.1變形縫修復(fù)效果的應(yīng)力監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

在變形縫修復(fù)完成后，通過(guò)布置應(yīng)變計(jì)和應(yīng)力傳感器對(duì)修復(fù)區(qū)域的應(yīng)力分布進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，修復(fù)后的變形縫區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯緩解，裂縫寬度的變化趨于穩(wěn)定，溫度應(yīng)力引起的縫隙位移較修復(fù)前降低了約50%。具體數(shù)據(jù)如表1所示：

上表當(dāng)中的數(shù)據(jù)表明，修復(fù)后的變形縫區(qū)域應(yīng)力集中系數(shù)穩(wěn)定在1.2-1.4之間，遠(yuǎn)低于修復(fù)前的2.5-2.8，顯示了聚氨酯密封膠和環(huán)氧樹(shù)脂灌漿的修復(fù)效果良好，能夠有效緩解變形縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并減少位移變化。

4.4.2表面裂縫封閉效果評(píng)估

采用低粘度環(huán)氧樹(shù)脂封閉后的表面裂縫，進(jìn)行滲水試驗(yàn)和耐久性測(cè)試，結(jié)果顯示，修復(fù)后的混凝土表面抗?jié)B性能顯著提高，水壓下的滲透深度由修復(fù)前的10mm減少至2mm，表明封閉層有效阻止了水分的侵入。此外，經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，修復(fù)區(qū)域未出現(xiàn)明顯劣化，裂縫寬度保持在0.2mm以下，說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂的耐久性良好。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示：

通過(guò)上表當(dāng)中的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了低粘度環(huán)氧樹(shù)脂封閉技術(shù)在改善混凝土表面抗?jié)B性和抗凍融能力方面的優(yōu)越性能，有效延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的使用壽命。

5結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)某沿海高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂問(wèn)題的深入分析，確定了開(kāi)裂的主要成因包括材料配比失衡、施工工藝缺陷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足。設(shè)計(jì)并實(shí)施了針對(duì)性的修復(fù)技術(shù)方案，包括高彈性聚氨酯密封膠與改性環(huán)氧樹(shù)脂灌漿技術(shù)、碳纖維布加固技術(shù)及低粘度環(huán)氧樹(shù)脂封閉技術(shù)。修復(fù)效果通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)和耐久性測(cè)試得到驗(yàn)證，結(jié)果顯示修復(fù)后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著緩解，裂縫擴(kuò)展趨于穩(wěn)定，抗?jié)B性能和耐久性顯著提高。研究結(jié)果表明，該修復(fù)方案能夠有效延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，確保結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性與穩(wěn)定性，為類(lèi)似工程提供了可借鑒的技術(shù)路徑。

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